- •1 ОБЩИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
- •1.1 Введение
- •1.2 Характеристики и параметры материалов
- •1.3 Типы химических связей
- •1.3.1 Межатомные связи
- •1.3.2 Межмолекулярные связи
- •1.4 Кристаллическое состояние вещества
- •1.5 Дефекты кристаллической структуры
- •1.6 Аморфное состояние вещества
- •1.7 Нанокристаллическое состояние вещества
- •2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
- •2.1 Зонная энергетическая структура металлов
- •2.2 Основные электрические параметры металлов
- •2.3 Удельное сопротивление чистых металлов
- •2.4 Электрические свойства металлических сплавов
- •2.5 Влияние частоты напряжения на сопротивление проводников. Поверхностный эффект и эффект близости
- •2.6 Сопротивление тонких металлических пленок. Размерные эффекты. Поверхностное удельное сопротивление.
- •2.7 Свойства проводниковых материалов и их классификация по функциональному назначению
- •2.7.1 Проводники электрического тока
- •2.7.2 Контактные материалы
- •2.7.3 Сплавы на основе железа для электронагревателей
- •2.7.4 Материалы для термопар
- •2.7.5 Сверхпроводники
- •2.7.6 Криопроводники
- •2.7.7 Припои и флюсы
- •2.7.8 Резисторы. Материалы для резисторов
- •2.7.9 Специальные резисторы и материалы для них
- •3 ДИЭЛЕКТРИКИ (ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ)
- •3.1 Функции, выполняемые диэлектриками в РЭА
- •3.2 Свободные и связанные заряды. Поляризация
- •3.3 Электрический момент диполя
- •3.4 Собственный и индуцированный электрический момент. Полярные и неполярные диэлектрики
- •3.5 Поляризованность
- •3.6 Диэлектрическая восприимчивость
- •3.8 Емкость конденсатора
- •3.9 Виды поляризации
- •3.9.1 Классификация видов поляризации и их особенности
- •3.9.2 Упругие виды поляризации
- •3.9.3 Неупругие виды поляризации
- •3.10 Зависимость диэлектрической проницаемости от различных факторов
- •3.11 Диэлектрические потери
- •3.11.1 Виды диэлектрических потерь
- •3.11.2 Потери, обусловленные током проводимости
- •3.11.3 Потери, обусловленные поляризацией
- •3.11.4 Тангенс угла диэлектрических потерь
- •3.11.5 Схемы замещения конденсатора с потерями
- •3.12 Пробой диэлектриков
- •3.12.1 Основные понятия
- •3.12.2 Пробой газов
- •3.12.3 Пробой жидких диэлектриков
- •3.12.4 Пробой твердых диэлектриков
- •4 ПАССИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
- •4.1. Классификация пассивных диэлектриков
- •4.2 Основные сведения о строении и свойствах полимеров
- •4.3 Линейные полимеры
- •4.4 Композиционные порошковые пластмассы и слоистые пластики
- •4.5 Электроизоляционные компаунды
- •4.6 Неорганические стекла
- •4.7 Ситаллы
- •4.8 Керамика
- •4.9 Слюда и материалы на ее основе
- •4.10 Неорганические электроизоляционные пленки
- •4.11 Конденсаторы. Материалы. Конструкция.
- •5 АКТИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
- •5.1 Сегнетоэлектрики
- •5.1.1 Спонтанная поляризация
- •5.1.2 Характеристики и параметры сегнетоэлектриков
- •5.1.3 Температурные свойства сегнетоэлектриков
- •5.1.4 Сегнетоэлектрические материалы. Антисегнетоэлектрики
- •5.1.5 Применение сегнетоэлектриков
- •5.2 Пьезоэлектрики
- •5.2.1 Общие свойства
- •5.2.2 Практическое применение пьезоэлектриков
- •5.2.3 Пьезоэлектрические материалы
- •5.3 Электреты
- •5.3.1 Основные понятия об электретах
- •5.3.2 Электретные материалы
- •5.4 Жидкие кристаллы
- •6 МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ (ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ)
- •6.1 Величины магнитного поля
- •6.2 Нелинейные магнитные среды
- •6.3 Характеристики и параметры магнитных материалов
- •6.4 Магнитные потери энергии
- •6.5 Особенности намагничивания разомкнутых тел
- •6.6 Характеристики и параметры постоянных магнитов
- •7 МАГНИТОМЯГКИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
- •7.1 Классификация магнитных материалов
- •7.2 Магнитомягкие материалы на основе железа
- •7.3 Пермаллои
- •7.4 Другие магнитомягкие сплавы
- •7.5 Магнитодиэлектрики
- •7.6 Ферримагнетики (магнитоактивные ферриты)
- •7.6.1 Строение ферримагнетиков
- •7.6.2 Свойства, параметры и характеристики магнитомягких феррошпинелей
- •7.6.3 Применение ферритов
- •7.6.4 Маркировка магнитомягких НЧ- и ВЧ-ферритов
- •8 МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ
- •8.1 Классификация магнитотвердых материалов
- •8.7 Прочие материалы для постоянных магнитов
- •9 МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
- •9.1 Термомагнитные материалы
- •9.2 Магнитострикционные материалы
- •9.3 Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса
- •9.4 Материалы со сложной формой петли гистерезиса
- •9.5 Магнитные материалы для устройств записи информации
- •9.6 Материалы для устройств на цилиндрических магнитных доменах
- •9.7 Материалы для магнитооптических устройств
- •9.8 Материалы для термомагнитной записи
- •РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Федеральное агентство по образованию
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Нефёдцев Е.В., Кистенёва М. Г.
ХИМИЯ РАДИОМАТЕРИАЛОВ
Учебное пособие
2009
2
Рецензент ¾ доцент кафедры конструирования узлов и деталей радиоаппаратуры Томского государственного университета систем управления, кандидат технических наук Кузебных Н. И.
Нефёдцев Е.В., Кистенёва М. Г.
Химия радиоматериалов: Учебное пособие. - Томск:
Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2009
Учебное пособие можно условно разделить на несколько структурных
единиц. |
Первый |
раздел |
посвящен |
некоторым |
общим |
вопрос |
материаловедения. Остальную часть пособия можно условно разбить на |
||||||
тематические группы. В первых разделах каждой группы рассматриваются |
||||||
общие |
физические |
явления, свойственные |
определенному |
классу |
||
радиоматериалов. В последующих |
разделах каждой такой |
группы |
дается |
информация о конкретных материалах: их свойствах, особенностях, области применения и .дрВ этом ключе рассмотрены физические процессы, характеристики и параметры: в металлах, диэлектриках и магнитных материалах.
Вучебном пособии фактически опущены вопросы, связанные с
полупроводниковыми материалами, занимающими особое место в электронике, поскольку традиционно им отводятся отдельные дисциплины.
Учебное пособие предназначено для студентов вузов радиотехнических специальностей дневного, заочного и дистантного обучения.
Ó Нефёдцев Евгений Валерьевич, |
2009 г. |
Ó Кистенёва Марина Григорьевна, |
2009 г. |
Ó Томский межвузовский центр |
|
дистанционного образования |
2009 г. |
3
СОДЕРЖАНИЕ |
|
|
1 ОБЩИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ |
7 |
|
1.1 |
Введение |
7 |
1.2 |
Характеристики и параметры материалов |
8 |
1.3 |
Типы химических связей |
9 |
1.3.1 Межатомные связи |
9 |
|
1.3.2 Межмолекулярные связи |
13 |
|
1.4 |
Кристаллическое состояние вещества |
14 |
1.5 |
Дефекты кристаллической структуры |
16 |
1.6 |
Аморфное состояние вещества |
19 |
1.7 |
Нанокристаллическое состояние вещества |
19 |
2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОВОДНИКОВЫХ |
|
|
МАТЕРИАЛОВ |
22 |
|
2.1 |
Зонная энергетическая структура металлов |
22 |
2.2 |
Основные электрические параметры металлов |
24 |
2.3 |
Удельное сопротивление чистых металлов |
25 |
2.4 |
Электрические свойства металлических сплавов |
28 |
2.5 |
Влияние частоты напряжения на сопротивление проводников. |
|
|
Поверхностный эффект и эффект близости |
30 |
2.6 |
Сопротивление тонких металлических пленок. Размерные |
|
|
эффекты. Поверхностное удельное сопротивление. |
33 |
2.7 |
Свойства проводниковых материалов и их классификация по |
|
|
функциональному назначению |
35 |
2.7.1 Проводники электрического тока |
35 |
|
2.7.2 Контактные материалы |
37 |
|
2.7.3 Сплавы на основе железа для электронагревателей |
38 |
|
2.7.4 Материалы для термопар |
39 |
|
2.7.5 Сверхпроводники |
40 |
|
2.7.6 Криопроводники |
42 |
|
2.7.7 Припои и флюсы |
42 |
|
2.7.8 Резисторы. Материалы для резисторов |
43 |
|
2.7.9 Специальные резисторы и материалы для них |
50 |
|
3 ДИЭЛЕКТРИКИ (ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ) |
53 |
|
3.1 |
Функции, выполняемые диэлектриками в РЭА |
53 |
3.2 |
Свободные и связанные заряды. Поляризация |
54 |
3.3 |
Электрический момент диполя |
56 |
3.4 |
Собственный и индуцированный электрический момент. |
|
|
Полярные и неполярные диэлектрики |
58 |
3.5 |
Поляризованность |
58 |
|
|
4 |
|
3.6 |
Диэлектрическая восприимчивость |
60 |
|
3.7 |
Электрическая индукция. Диэлектрическая проницаемость. |
|
|
|
Виды диэлектрических сред |
61 |
|
3.8 |
Емкость конденсатора |
62 |
|
3.9 |
Виды поляризации |
66 |
|
3.9.1 Классификация видов поляризации и их особенности |
66 |
||
3.9.2 Упругие виды поляризации |
67 |
||
3.9.3 Неупругие виды поляризации |
70 |
||
3.10 Зависимость диэлектрической проницаемости от различных |
|
||
|
факторов |
|
76 |
3.10.1 Зависимость e от частоты напряжения |
76 |
||
3.10.2 Зависимость e |
от агрегатного состояния вещества |
78 |
|
3.10.3 Зависимость e |
от температуры |
79 |
|
3.10.4 Зависимость e |
от состава. Эффективная диэлектрическая |
|
|
|
проницаемость неоднородных диэлектриков |
81 |
|
3.11 Диэлектрические потери |
84 |
||
3.11.1 Виды диэлектрических потерь |
84 |
||
3.11.2 Потери, обусловленные током проводимости |
85 |
||
3.11.3 Потери, обусловленные поляризацией |
87 |
||
3.11.4 Тангенс угла диэлектрических потерь |
92 |
||
3.11.5 Схемы замещения конденсатора с потерями |
94 |
||
3.12 Пробой диэлектриков |
95 |
||
3.12.1 Основные понятия |
96 |
||
3.12.2 Пробой газов |
|
97 |
|
3.12.3 Пробой жидких диэлектриков |
105 |
||
3.12.4 Пробой твердых диэлектриков |
107 |
||
4 ПАССИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ |
115 |
||
4.1. Классификация пассивных диэлектриков |
115 |
||
4.2 |
Основные сведения о строении и свойствах полимеров |
115 |
|
4.3 |
Линейные полимеры |
119 |
|
4.4 |
Композиционные порошковые пластмассы и слоистые пластики |
123 |
|
4.5 |
Электроизоляционные компаунды |
124 |
|
4.6 |
Неорганические стекла |
126 |
|
4.7 |
Ситаллы |
|
131 |
4.8 |
Керамика |
|
132 |
4.9 |
Слюда и материалы на ее основе |
136 |
|
4.10 Неорганические электроизоляционные пленки |
137 |
||
4.11 Конденсаторы. Материалы. Конструкция. |
138 |
||
5 АКТИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ |
145 |
||
5.1 |
Сегнетоэлектрики |
|
145 |
5
5.1.1 Спонтанная поляризация |
145 |
|
5.1.2 Характеристики и параметры сегнетоэлектриков |
149 |
|
5.1.3 Температурные свойства сегнетоэлектриков |
152 |
|
5.1.4 Сегнетоэлектрические материалы. Антисегнетоэлектрики |
154 |
|
5.1.5 Применение сегнетоэлектриков |
155 |
|
5.2 |
Пьезоэлектрики |
158 |
5.2.1 Общие свойства |
158 |
|
5.2.2 Практическое применение пьезоэлектриков |
161 |
|
5.2.3 Пьезоэлектрические материалы |
164 |
|
5.3 |
Электреты |
165 |
5.3.1 Основные понятия об электретах |
165 |
|
5.3.2 Электретные материалы |
167 |
|
5.4 |
Жидкие кристаллы |
169 |
6 МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ (ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ) |
173 |
|
6.1 |
Величины магнитного поля |
173 |
6.2 |
Нелинейные магнитные среды |
184 |
6.3 |
Характеристики и параметры магнитных материалов |
189 |
6.4 |
Магнитные потери энергии |
193 |
6.5 |
Особенности намагничивания разомкнутых тел |
196 |
6.6 |
Характеристики и параметры постоянных магнитов |
200 |
7 МАГНИТОМЯГКИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ |
204 |
|
7.1 |
Классификация магнитных материалов |
204 |
7.2 |
Магнитомягкие материалы на основе железа |
206 |
7.3 |
Пермаллои |
211 |
7.4 |
Другие магнитомягкие сплавы |
215 |
7.5 |
Магнитодиэлектрики |
217 |
7.6 |
Ферримагнетики (магнитоактивные ферриты) |
220 |
7.6.1 Строение ферримагнетиков |
220 |
|
7.6.2 Свойства, параметры и характеристики магнитомягких |
|
|
|
феррошпинелей |
225 |
7.6.3 Применение ферритов |
231 |
|
7.6.4 Маркировка магнитомягких НЧ- и ВЧ-ферритов |
233 |
|
8 МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ |
234 |
|
8.1 |
Классификация магнитотвердых материалов |
234 |
8.2 |
МТМ с умеренными значениями Нс (4 - 40 кА/м) и |
|
|
wmax (1 - 4 кДж/м3) |
234 |
8.3 |
МТМ с повышенными значениями Нс (10 - 200 кА/м) и |
|
|
wmax (10 - 40 кДж/м3) |
235 |
6
8.4 |
МТМ с большими значениями Нс (100 - 300 кА/м) и |
|
|
повышенными значениями wmax (4 - 20 кДж/м3) |
236 |
8.5 |
МТМ с большими значениями Нс (200-700 кА/м) и |
|
|
wmax (50 - 120 кДж/м3) |
237 |
8.6 |
МТМ с наибольшими значениями Нс (до 1600 кА/м) и wmax (до |
238 |
|
200 кДж/м3) |
|
8.7 |
Прочие материалы для постоянных магнитов |
239 |
9 МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ |
241 |
|
9.1 |
Термомагнитные материалы |
241 |
9.2 |
Магнитострикционные материалы |
242 |
9.3 |
Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса |
244 |
9.4 |
Материалы со сложной формой петли гистерезиса |
247 |
9.5 |
Магнитные материалы для устройств записи информации |
248 |
9.6 |
Материалы для устройств на цилиндрических магнитных |
|
|
доменах |
252 |
9.7 |
Материалы для магнитооптических устройств |
258 |
9.8 |
Материалы для термомагнитной записи |
262 |
10 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ В ИСПОЛЬЗОВАНИИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТЕХНОЛОГИИ
РАДИОМАТЕРИАЛОВ И АППАРАТУРЫОШИБКА! ЗАКЛАДКА НЕ ОПРЕДЕЛЕНА
10.1Отходы технологических процессов РЭАОшибка! Закладка не определена.
10.2Химические процессы в переработке отходов производстваОшибка! Закладка не 10.2.1 Очистка и переработка твердых отходовОшибка! Закладка не определена.
10.2.2Очистка газообразных отходов Ошибка! Закладка не определена.
10.2.3Очистка сточных вод, содержащих продукты
технологических процессов производстваОшибка! Закладка не определена.
10.2.3.1 Механическая очистка |
Ошибка! Закладка не определена. |
10.2.3.2 Биологическая очистка |
Ошибка! Закладка не определена. |
10.2.3.3 Физико-химическая очистка |
Ошибка! Закладка не определена. |
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА |
266 |
7
|
1 ОБЩИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ |
|
|
|
|
|
||||||
1.1 Введение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Радиотехническими |
материалами (радиоматериалами) |
называют |
|
|||||||||
такие |
материалы, которые |
имеют |
специфическое |
назначение |
в |
|||||||
радиоэлектронной |
аппаратуре (РЭА), отличаются |
явно |
выраженными |
|
||||||||
свойствами при воздействии на нихэлектрического и магнитного полей. В |
|
|||||||||||
связи с этим, радиоматериалы принято классифицировать по электрическим и |
|
|||||||||||
магнитным свойствам (таблица 1.1). |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
По электрическим свойствам все материалы можно разбить на четыре |
|
|||||||||||
класса. Полупроводники играют особую роль в электронике, |
этим |
|
||||||||||
материалам отводятся отдельные дисциплины. Поэтому, в рамках данного |
|
|||||||||||
пособия даются лишь общие сведения об этих матери, алахнаиболее |
|
|||||||||||
подробно |
рассмотрено лишь |
два |
класса- проводники (металлические) и |
|
||||||||
диэлектрики. Сверхпроводники имеют ограниченное применение в качестве |
|
|||||||||||
радиоматериалов, |
поэтому |
лишь |
некоторая |
общая |
информация |
о |
них |
|||||
включена в раздел о проводниках. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Таблица 1.1 - Классификация радиотехнических материалов. |
|
|
|
|
||||||||
Электрические свойства |
|
Магнитные свойства |
|
|
|
|||||||
Класс |
|
Диапазон |
|
Класс |
|
|
Значения |
|
|
|
||
материала |
|
удельных |
|
материала |
|
|
магнитных |
|
|
|
||
|
|
сопротивлений, |
|
|
|
проницаемосте |
|
|
||||
|
|
Ом×м |
|
|
|
|
|
й |
|
|
|
|
Сверхпроводники |
r~0 Ом×м |
|
Сверхпроводники |
|
m =0 |
|
|
|
||||
Проводники |
r~10-8-10-4 Ом×м |
Диамагнетики |
|
m <1; m » 1 |
|
|
|
|||||
Полупроводники |
r~10-6-109 Ом×м |
Парамагнетики |
|
m >1; m » 1 |
|
|
|
|||||
Диэлектрики |
r~107-1017 Ом×м |
Антиферромагнетики |
m >1; m » 1 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
Ферримагнетики |
|
m~101-104 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Ферромагнетики |
|
m~102-106 |
|
|
|
По магнитным свойствамвсе материалы можно разделить на шесть классов. Из всех материалов, классифицируемых по магнитным свойствам, будут рассмотрены лишь магнитные материалы, широко используемые в РЭА, и обладающие значительными магнитными проницаемостями, то есть ферро- и ферримагнетики. По электрическим свойствам, ферромагнетики ¾ это проводники, а ферримагнетики ¾ полупроводники или диэлектрики.
Многие электрические и магнитные свойства радиоматериалов, можно понять на основе знаний о химическом строении веществ. В рамках данного
8
пособия невозможно дать всю информацию об отдельных радиоматериалах. Поэтому, основной упор сделан на рассмотрение общих понятий и свойств, а отдельные материалы фигурируют здесь в качестве примеров.
1.2 Характеристики и параметры материалов
Понятие “материал” имеет двоякий смысл. С одной стороны, любой конкретный материал существует как“вещь в себе”, со всей совокупностью свойств, которую нам до конца не познать. С другой стороны это“вещь для
нас”, которая представляет собой набор разнообразных : моделей механической, электрической, оптической, термодинамической.
Наиболее распространенной формой представления моделей материалов являются характеристики.
Характеристика материала - это функциональная зависимость между некоторым воздействием на материал F и реакцией R материала на это воздействие.
Воздействующих на материал факторов может быть несколько, но, несмотря на это, чаще всего пользуются одномерными характеристиками. Если, например, исследуется влияние на материал двух воздействийF1 и F2 , то, как правило, результат представляется в виде семейства характеристик,
вдоль которых один из факторов полагается равным постоянной величине (рисунок 1.1).
Часто характеристики материала оказываются простыми, поэтому нет необходимости их рассматривать целиком(например, в виде графиков) ¾ достаточно описать их с помощью чисел ¾ параметров.
Например, главной электрической характеристикой проводящей среды
является зависимость плотности токаj от напряженности |
электрического |
|||
поля E, созданного в среде. Часто эта зависимость линейна, к тому же |
||||
проходит через начало координат. Для того чтобы |
представить эту |
|||
характеристику, достаточно указать лишь один параметр¾ ее крутизну, g = |
||||
j/E, которая |
называется |
удельной |
проводимостью |
материа. Еслиа |
характеристика |
нелинейная, но |
на основе теоретических соображений |
||
описывается аналитическим выражением, и ее также |
можно заменить |
|||
некоторым набором параметров. Допустим, характеристика описывается |
||||
аналитической зависимостью |
|
|
|
|
|
R = R0exp(-a/F). |
|
(1.1) |
9
Эта зависимость нелинейная (см. рисунок 1.2,а), но может быть описана двумя параметрами ¾ a и R0. Превратить эту характеристику в линейную труда не представляет. Достаточно данное выражение прологарифмировать:
lnR = lnR0 - a/F |
(1.2) |
и изменить единицы измерения внешнего воздействия и реакциипо схеме F'® 1/F; R'® lnR, и получается линейная зависимость с крутизной-a и смещением по вертикальной оси lnR0 (см. рисунок 1.2б).
|
|
а) |
б) |
|
Рисунок 1.1 |
|
Рисунок 1.2 |
|
|
Параметры |
реальных |
материалов, как |
правило, сами |
являются |
зависимыми от многих факторов, поэтому приходится оговаривать условия, при которых параметры измерялись, или даже строить характеристики для самих параметров. Так, например, с изменением температуры удельное сопротивление металлов r изменяется, поэтому для этого параметра вводится еще один параметр - температурный коэффициент удельного сопротивления (ТКr).
1.3 Типы химических связей
1.3.1 Межатомные связи
Для того чтобы объяснить многие свойства материалов, предсказать, хотя бы на качественном уровне, как будет вести материал в тех, или иных условиях, следует рассмотреть его молекулярно-атомную структуру. В
частности, только на основе атомной теории можно объяснить многие электрофизические свойства материалов. Большое многообразие окружающих нас веществ обусловлено образованием химических связей, которые принято делить на две большие категории: межатомные (сильные) и
межмолекулярные (слабые).
Межатомные связи являются главными и играют решающую роль в
образовании |
молекул. |
Они |
осуществляются |
за |
счет |
кулоновских |
электростатических и |
обменных взаимодействийэлектронов |
внешних |
10
оболочек атомов. Прочность химических связей зависит от таких параметров атомов, как энергия ионизации, энергия сродства к электрону и электроотрицательность.
Энергия ионизации атома ¾ это энергия, которую нужно затратить для отрыва валентного электрона от атома и превращения его в положительный ион.
Энергия сродства атома к электрону ¾ это энергия, выделяющаяся при присоединении электрона к атому и превращении его в отрицательный ион.
В отличие |
от энергии |
ионизации, которая |
может |
быть |
только |
|
положительной, сродство атома к электрону может быть как положительным, |
||||||
так и отрицательным. Для |
атомов металлов сродство к электрону, как |
|||||
правило, близко к нулю или отрицательно. Из этого следует, что для атомов |
||||||
большинства |
металлов |
присоединение |
дополнительного |
электрон |
энергетически невыгодно. Сродство к электрону атомов многих неметаллов положительно.
Электроотрицательность - способность атома принимать электрон при взаимодействии с другими . атомамиКоличественной мерой электроотрицательности атома является полусумма энергии ионизацииЕи и сродства к электрону Ес:
|
Х=(Еи + Ес)/2 |
(1.3) |
|
|
Принято |
различать ионную, ковалентную, донорно-акцепторную |
и |
||
металлическую атомные связи. |
|
|
|
|
Чтобы |
понять особенности, или, наоборот, общие |
черты многих |
радиоматериалов, следует выделить такие характерные стороны каждого из типов межатомных связей, как направленность, насыщаемость, полярность.
Ионная |
связь осуществляется |
между |
элементами, сильно |
|||||
различающимися по электроотрицательности. Типичные |
представители |
|||||||
ионных соединений - соединения типа А1В7, |
между |
атомом |
щелочного |
|||||
металла и атомом галогена(верхние индексы означают |
номер |
группы |
||||||
элемента). |
Наименьшей |
электроотрицательностью |
обладают |
щелочные |
||||
металлы, |
которые |
отличаются малыми энергиями |
ионизации |
и |
сродства. |
Наоборот, наибольшую электроотрицательность имеют атомы галогенов, которые охотно принимают электрон для завершения внешней электронной оболочки. Процесс образования связи можно рассматривать как передачу внешнего, валентного электрона от атома щелочного металла к атому галогена, после чего, образующиеся отрицательный и положительный ионы взаимно притягиваются за счет кулоновских сил.
11
Основные особенности ионной связи.
1)Связь является ненасыщаемой, то есть, любой ион способен вступать во взаимодействие с любым количеством ионов противоположного знака.
2)Связь является ненаправленной, то есть, нет принципиальных ограничений на взаимное расположение притягивающихся ионов.
3)Связь является сильно полярной, то есть, в пределах системы двух
связанных |
ионов |
заряды |
различных |
знаков |
сильно |
|
смещены |
д |
|||||||||
относительно друга. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
На первый взгляд, между сделанными первыми двумя утверждениями и |
|
||||||||||||||||
реальной структурой ионных кристаллов имеется резкое противоречие. В |
|
||||||||||||||||
самом |
деле, |
в |
ионных |
кристаллах |
ионы |
располагаются |
строго |
под |
|||||||||
определенными углами, причем каждый ион окружен строго определенным |
|
||||||||||||||||
количеством ионов противоположного знака. Так, например, в кристалле |
|
||||||||||||||||
NaCl, каждый ион натрия окружен6-ю ионами хлора, расположенными под |
|
||||||||||||||||
углом 90о друг к |
другу(см. рисунок 1.7, а). Однако, причина |
этого не |
в |
|
|||||||||||||
природе самой связи, а только в геометрических соотношениях радиусов |
|
||||||||||||||||
ионов. Ион натрия из-за относительно малых размеров не может разместить |
|
||||||||||||||||
вокруг себя более 6 ионов хлора, которые, распределяясь равномерно вокруг |
|
||||||||||||||||
притянувшего их иона, образуют геометрически правильную |
|
фигуру- |
|
||||||||||||||
октаэдр. В кристалле CsCl, из-за того, что радиусы ионов противоположного |
|
||||||||||||||||
знака близки по величине, каждый ион определенного знака окружает себя не |
|
||||||||||||||||
6-ю, а 8-ю ионами противоположного знака (см. далее, рисунок 1.7, б). Таким |
|
|
|||||||||||||||
образом, кристаллическая структура ионных кристаллов определяется не |
|
||||||||||||||||
особенностями |
химических связей, а геометрическим фактором ¾ наиболее |
|
|||||||||||||||
оптимальной |
|
|
плотностью |
|
упаковки, обеспечивающей |
|
|
минимум |
|
||||||||
электростатической энергии. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
В |
ионных |
решетках |
невозможно |
|
выделить |
отдельные |
фрагменты, |
||||||||||
которые можно назвать молекулами. Правильнее считать весь монокристалл |
|
||||||||||||||||
одной гигантской молекулой. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Ковалентная |
связь. |
Возникновение |
|
ковалентной |
связи |
нельзя |
|||||||||||
объяснить с тех же элементарных классических позиций, с каких объясняется |
|
||||||||||||||||
возникновение ионной связи. Поэтому, не случайно ее природа была до конца |
|
||||||||||||||||
понята лишь к середине 20-го века. В основе связи лежитобменное |
|
|
|||||||||||||||
взаимодействие, |
или |
обменный |
эффект, обусловленный |
|
|
обменом |
|
||||||||||
электронами |
|
между |
атомами |
и |
имеющий |
чисто квантовую . |
природу |
||||||||||
Важнейшей особенностью обменных сил является их зависимость |
от |
||||||||||||||||
направления |
|
спинов |
валентных |
электронов, осуществляющих |
связь. |
|
|||||||||||
Упрощенно ковалентную связь можно истолковать как перекрытие внешних |
|
||||||||||||||||
оболочек |
|
электронов |
с |
разнонаправленными |
|
спинами. В |
результате |
|
объединения орбиталей формируется одна общая орбиталь с полностью скомпенсированным спиновым моментом. Некоторые свойства ковалентной связи противоположны свойствам ионной связи.
12
1.Связь является насыщаемой, то есть, атом способен присоединить к себе столько инородных атомов, сколько неспаренных по спину орбиталей он имеет.
2.Связь является направленной. Речь идет о молекулах,
образованных посредством |
внешнихp-, d-, f- и других |
|||
орбиталей (кроме s-орбиталей), не имеющих сферической |
||||
симметрии. Эти |
орбитали |
имеют |
строгую |
взаимную |
ориентацию, поэтому и образованные ими молекулярные связи имеют такую же строгую ориентацию. Например, в молекуле воды связь -НО образована перекрытиемp- оболочки атома кислорода иs- оболочки атома водорода (рисунок 1.3). Поскольку всего у атома кислорода имеется три взаимно перпендикулярных p-орбитали, причем на двух
из них находится по одному неспаренному электрону, связи в молекуле воды будут сориентированы под углом, близким к 90о. На самом деле, как показывают исследования, связи в
молекуле воды ориентируются под углом 104о. Некоторое увеличение угла по
отношению |
к прямому |
углу можно объяснить взаимным кулоновым |
|
отталкиванием атомов водорода, имеющих |
избыточный положительный |
||
заряд, также гибридизацией s- и р-орбиталей атома кислорода. |
|||
3. Связь может быть как полярной, так и неполярной. Неполярная связь, |
|||
очевидно, образуется тогда, |
когда соединяются совершенно одинаковые |
||
атомы (молекулы H2, O2, N2 |
и др.). Если соединяются разные элементы, то |
||
симметрия |
нарушается и |
электронная |
плотность смещается в сторону |
наиболее электроотрицательного атома. В результате образуется молекула, в которой можно выделить отрицательно заряженную часть и положительно заряженную часть (молекулы HCl, CO и др.).
Очевидно, что если молекула полярная, то полярными являются и связи ее образующие. Однако иногда посредством полярных связей образуются в целом неполярные молекулы. Примером может служить молекула 2СО,
имеющая не угловую (как молекула Н О), а линейную структуру, в которой
2
атом углерода находится посередине. Несмотря на полярность каждой связи C-О, молекула СО2 в целом не является полярной.
Донорно-акцепторную связь можно рассматривать как частный случай ковалентной связи, поскольку механизм ее образования схож с описанным выше. Особенностью ее является то, что перед тем как она образуется, между атомами происходит обмен электронами с формированием дополнительных орбиталей с неспаренными по спину электронами.
Металлическая связь имеет место в системе с большим числом атомов, энергия ионизации которых столь низка, что электроны покидают свои атомы
иобразуют протяженные общие орбитали, распространяющиеся на весь
объем |
кристалла. Возникает |
взаимодействующая |
система |
ионов |
и |
|
электронного |
газа. Электронный |
газ, заполняя |
промежутки |
между |
|